Submitted by Luciana Sebin (lusebin@ufscar.br) on 2016-09-21T13:52:44Z No. of bitstreams: 1 DissVBF.pdf: 4418595 bytes, checksum: aaae3efb173c8760a1039251a31ea973 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-23T18:23:48Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissVBF.pdf: 4418595 bytes, checksum: aaae3efb173c8760a1039251a31ea973 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-23T18:24:01Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissVBF.pdf: 4418595 bytes, checksum: aaae3efb173c8760a1039251a31ea973 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-23T18:24:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissVBF.pdf: 4418595 bytes, checksum: aaae3efb173c8760a1039251a31ea973 (MD5) Previous issue date: 2015-03-20 / Não recebi financiamento / The continuous demand growth for liquid fuels, alongside with the decrease of fossil oil reserves, unavoidable in the long term, induces investigations for new energy sources. A possible alternative is the use of bioethanol, produced by renewable resources such as sugarcane bagasse. Two thirds of the cultivated sugarcane biomass are sugarcane bagasse and leaves, not fermentable when the current, first-generation (1G) process is used. A great interest has been given to techniques capable of utilizing the carbohydrates from this material. Among them, production of second generation (2G) ethanol is a possible alternative. 2G ethanol requires two additional operations: a pretreatment and a hydrolysis stage. Regarding the hydrolysis, the dominant technical solution has been based on the use of enzymatic complexes to hydrolyze the lignocellulosic substrate. To ensure the feasibility of the process, a high final concentration of glucose after the enzymatic hydrolysis is desirable. To achieve this objective, a high solid consistency in the reactor is necessary. However, a high load of solids generates a series of operational difficulties within the reactor. This is a crucial bottleneck of the 2G process. A possible solution is using a fed-batch process, with feeding profiles of enzymes and substrate that enhance in the process yield and productivity. The main objective of this work was to implement and test a system to infer online concentrations of fermentable carbohydrates in the reactive system, and to optimize the feeding strategy of substrate and/or enzymatic complex, according to a model-based control strategy. Batch and fed-batch experiments were conducted in order to test the adherence of four simplified kinetic models. The model with best adherence to the experimental data (a modified Michaelis-Mentem model with inhibition by the product) was used to train an Artificial Neural Network (ANN) as a softsensor to predict glucose concentrations. Further, this ANN may be used in a closedloop control strategy. A feeding profile optimizer was implemented, based on the optimal control approach. The ANN was capable of inferring the product concentration from the available data with good adherence (Determination Coefficient of 0.972). The optimization algorithm generated profiles that increased a process performance index while maintaining operational levels within the reactor, reaching glucose concentrations close to those utilized in current first generation technology a (ranging between 156.0 g.L⁻¹ and 168.3 g.L⁻¹). However rough estimates for scaling up the reactor to industrial dimensions indicate that this conventional reactor design must be replaced by a two-stage reactor, to minimize the volume of liquid to be stirred. / A crescente demanda por combustíveis líquidos, bem como a diminuição das reservas de petróleo, inevitáveis a longo prazo, induzem pesquisas por novas fontes de energia. Uma possível solução é o uso do bioetanol, produzido de resíduos, como o bagaço de cana-deaçúcar. Dois terços da biomassa cultivada são bagaço e folhas. Estas frações não são fermentescíveis quando se usa a tecnologia de primeira geração atual (1G). Um grande interesse vem sendo prestado a técnicas capazes de utilizar os carboidratos deste material. Dentre elas, a produção de etanol de segunda geração (2G) é uma possível alternativa. Etanol 2G requer duas operações adicionais: etapas de pré-tratamento e hidrólise. Considerando a hidrólise, a técnica dominante tem sido a utilização de complexos enzimáticos para hidrolisar o substrato lignocelulósico. Para assegurar a viabilidade do processo, uma alta concentração final de glicose é necessária ao final do processo. Para atingir esse objetivo, uma alta concentração de sólidos no reator é necessária. No entanto, uma carga grande de sólidos gera uma série de dificuldades operacionais para o processo. Este é um gargalo crucial do processo 2G. Uma possível solução é utilizar um processo de batelada alimentada, com perfis de alimentação de enzima e substrato para aumentar produtividade e rendimento. O principal objetivo deste trabalho é implementar e testar um sistema para inferir concentração de carboidratos fermentescíveis automaticamente e otimizar a política de substrato e/ou enzima em tempo real, de acordo com uma estratégia de controle baseada em modelo cinético. Experimentos de batelada e batelada alimentada foram realizados a fim de testar a aderência de 4 modelos cinéticos simplificados. O modelo com melhor aderência aos dados experimentais (um modelo de Michaelis-Mentem modificado com inibição por produto) foi utilizado para gerar dados a fim de treinar uma rede neural artificial para predizer concentrações de glicose automaticamente. Em estudos futuros, esta rede pode ser utilizada para compor o fechamento da malha de controle. Um otimizador de perfil de alimentação foi implementado, este foi baseado em uma abordagem de controle ótimo. A rede neural foi capaz de predizer a concentração de produto com os dados disponíveis de maneira satisfatória (Coeficiente de Determinação de 0.972). O algoritmo de otimização gerou perfis que aumentaram a performance do processo enquanto manteve as condições da hidrólise dentro de níveis operacionais, e gerou concentrações de glicose próximas as obtidas pelo caldo de cana-de-açúcar da primeira geração (valores entre 156.0 g.L ¹ e 168.3 g.L ¹). No entanto, estimativas iniciais de ⁻ ⁻ aumento de escala do processo demonstraram que para atingir dimensões industriais o projeto do reator utilizado deve ser analisado, substituindo o mesmo por um processo em dois estágios para diminuir o volume do reator e energia para agitação.

Submitted by Regina Correa (rehecorrea@gmail.com) on 2016-09-21T13:34:29Z No. of bitstreams: 1 DissLM.pdf: 2911132 bytes, checksum: 362b734e96e18d3619903ec85dba4bb5 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-23T18:32:59Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissLM.pdf: 2911132 bytes, checksum: 362b734e96e18d3619903ec85dba4bb5 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-23T18:33:06Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissLM.pdf: 2911132 bytes, checksum: 362b734e96e18d3619903ec85dba4bb5 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-23T18:33:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissLM.pdf: 2911132 bytes, checksum: 362b734e96e18d3619903ec85dba4bb5 (MD5) Previous issue date: 2016-03-01 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / The use of a simplified consolidated bioprocess for the conversion of biomass using enzymes produced in-house (integrated into the process of converting lignocellulosic biomass) may enable significant increases in the production of bioethanol, without the need for expansion of cultivated area. With this motivation, the present work had as objective the study of the steps of production of (hemi)cellulases by solid-state fermentation (SSF) and the use of whole fermentation medium (WFM) for saccharification of biomass and subsequent alcoholic fermentation within the context of a consolidated bioprocess for the 2G ethanol production. To this end, firstly, the selection of the cultivation conditions for the production of enzymes directly using the sugarcane bagasse pretreated by steam explosion (SEB) as SSF substrate was studied. Thus, different fungi were cultivated in isolation and in co-cultivation, including the study of the use of wheat bran and lactose as inducers in the production of enzymes. In order to optimize the enzymatic hydrolysis (EH) step with the WFM from SSF, it was evaluated the influence of the operating parameters and the use of soy protein, Tween 80, PEG 1500 and bovine serum albumin (BSA) as additives. Finally, the alcoholic fermentation step was performed for the selected condition for the overall validation of this bioprocess. The results obtained in the conditions which maximize the production of enzymes, using SEB as substrate, were: addition of lactose at 0.075 g/g of substrate and wheat bran in the mass ratio 1:1 relative to the substrate, which led to an increase of activity of 73% for beta-glucosidase, 67% for endoglucanase, and 72% for xylanase, compared to the control condition using SEB as the substrate, without the presence of lactose or wheat bran. Cultivations under SSF followed by the EH step with the WFM showed that the co-cultivation were, in most cases, better in the conversion of SEB into fermentable sugars. The co-cultivation that presented the best result when compared to the best-isolated cultivation of Aspergillus niger was the Trichoderma reesei with Aspergillus oryzae, which has promoted an increase of 47% in the glucose production. The evaluation of operating parameters (pH, temperature and stirring) during the enzymatic hydrolysis step with the WFM from SSF showed that the saccharification process performed under the condition of pH 4.8, 200 RPM and 50 °C presented the best conversion of lignocellulosic biomass. This operational condition is the same already used in the conventional process of enzymatic hydrolysis with commercial extract enzymes. The addition of additives (soy protein and Tween 80) improved the saccharification process, whereas the addition of soy protein (0.5% w/v) lead to a 50% increase in glucose release. The alcoholic fermentation carried out for validating the overall integration process at the best condition of cultivation /hydrolysis gave a yield of 83.5% of the theoretical yield and volumetric productivity of ethanol (QP) 4.77 g/L.h. These results show that all process steps can be performed sequentially in the same reactor, thus denoting the proposed consolidated bioprocess. / A utilização de um bioprocesso consolidado simplificado para a conversão de biomassa usando enzimas produzidas in-house (integrada ao processo de conversão da biomassa lignocelulósica) pode possibilitar incrementos significativos na produção de bioetanol, sem a necessidade de expansão da área cultivada. Com esta motivação, o presente trabalho teve como objetivo o estudo das etapas de produção de (hemi)celulases por fermentação em estado sólido (FES) e a utilização do meio fermentado integral (MFI) para sacarificação da biomassa e posterior fermentação alcoólica, dentro do contexto de um bioprocesso consolidado para a produção de etanol 2G. Para este fim, primeiramente, foi estudada a seleção das condições de cultivo para a produção de enzimas usando diretamente o bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado por explosão a vapor (BEX) como substrato da FES. Assim, diferentes fungos foram cultivados de forma isolada e em cocultivo, incluindo o estudo de farelo de trigo e lactose como indutores na produção de enzimas. Para otimizar a etapa de hidrólise enzimática (HE) com o MFI da FES, avaliou-se a influência dos parâmetros operacionais e o uso de proteína de soja, Tween 80, PEG 1500 e albumina de soro bovino (BSA) como aditivos. Por fim, para a melhor condição foi realizada a etapa de fermentação alcoólica para a validação global deste bioprocesso. Os resultados obtidos para as condições que maximizam a produção de enzimas, utilizando o BEX como substrato, foram: inserção de lactose na concentração de 0,075 g/g de substrato e farelo de trigo na proporção 1:1 em massa em relação ao substrato, o que levou a um aumento de atividade de 73% para betaglicosidase, 67% para endoglucanase e 72% para xilanase, em relação à condição controle utilizando apenas BEX como substrato, sem a presença de lactose ou farelo. Os cultivos em FES seguidos pela etapa de HE com o MFI mostrou que os cocultivos foram, na maioria dos casos, melhores na conversão do BEX a açúcares fermentescíveis. O cocultivo que apresentou o melhor resultado quando comparado ao melhor cultivo isolado de Aspergillus niger foi o de Trichoderma reesei com Aspergillus oryzae, o qual promoveu um aumento de 47% na produção de glicose. A avaliação dos parâmetros operacionais (pH, temperatura e agitação) durante a etapa de hidrólise enzimática com o MFI da FES mostrou que o processo de sacarificação realizado sob a condição de pH 4,8, 200 rpm e 50 ºC apresentou a melhor conversão da biomassa lignocelulósica. Essa condição operacional é a mesma já empregada no processo convencional de HE com extrato comercial de enzimas. A utilização de aditivos (proteína de soja e Tween 80) melhorou o processo de sacarificação, sendo que a adição da proteína de soja (0,5%, m/v) promoveu um aumento de 50% na liberação de glicose. Assim, realizou-se a fermentação alcoólica para a validação do processo global de integração para a melhor condição do conjunto cultivo/hidrólise, obtendo-se um rendimento de etanol de 83,5% do rendimento teórico e uma produtividade volumétrica de etanol (QP) de 4,77 g/L.h. Esses resultados permitiram a validação do bioprocesso consolidado proposto, indicando que todas as etapas podem ser realizadas sequencialmente no mesmo reator.

Submitted by Danilo Santiago Gomes Lucio (lucio.dsg@gmail.com) on 2018-03-29T16:12:59Z No. of bitstreams: 1 Dissertação.pdf: 2575733 bytes, checksum: fd6e8f3765866027ea686275654e5998 (MD5) / Approved for entry into archive by Cristina Alexandra de Godoy null (cristina@adm.feis.unesp.br) on 2018-03-29T16:41:28Z (GMT) No. of bitstreams: 1 lucio_dsg_me_ilha.pdf: 2575733 bytes, checksum: fd6e8f3765866027ea686275654e5998 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-29T16:41:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 lucio_dsg_me_ilha.pdf: 2575733 bytes, checksum: fd6e8f3765866027ea686275654e5998 (MD5) Previous issue date: 2016-02-01 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O tratamento de efluentes oriundos de águas residuárias possui importância significativa para diminuir os impactos ambientais provocados pela ação do homem em determinado meio. Atualmente, existem parâmetros legais que normatizam os processos de tratamento de esgoto doméstico para que o efluente gerado seja processado antes de seu despejo em recursos hídricos com o intuito de diminuir a ação de agentes biológicos e substâncias/compostos químicos nocivos à saúde do homem e do meio ambiente. A investigação de mestrado proposta objetivou analisar a eficiência da remoção de nutrientes, proveniente de esgoto doméstico, por intermédio da utilização de um Reator Granular em Tubo Concêntrico com Circulação, a partir da administração de carvão ativado de bagaço de cana-de-açúcar (CABC) como material de suporte. O reator foi fixado em uma Estação Elevatória de Esgoto do município de Ilha Solteira - SP. Para avaliar a eficácia do tratamento proposto, as variáveis: temperatura, pH, alcalinidade, DQO, sólidos sedimentáveis, sólidos suspensos, sólidos totais, nitrogênio total e fósforo total do efluente submetido ao reator foram monitoradas em consonância com o Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. O estudo foi desenvolvido em duas fases: de partida (desenvolvimento do biofilme no material de suporte) e operacional (aumento dos ciclos operacionais no reator e menor tempo de sedimentação), sendo esta última subdividida em Fase A (análises da DQO, temperatura e pH) e Fase B (avaliação da remoção da matéria carbonáceas, matéria nitrogenada e fósforo). Os resultados demonstram que o os grânulos aeróbios podem ser cultivados em reatores granulares em tubos concêntricos com circulação. A investigação também apresentou viabilidade para a remoção da carga orgânica carbonácea em 65% e 78% nas Fases A e B, respectivamente, quando o sistema foi operado em menores tempos de ciclos e de sedimentação. A remoção da matéria nitrogenada e do fósforo total foram, em média, de 51% e 37%, respectivamente. A diminuição do tempo de operação dos ciclos, bem como do tempo de sedimentação favoreceram a eficácia do sistema. / Treatment of effluents from wastewater has significant importance to reduce the environmental impacts caused by human action. Currently, there are legal standards that regulate the domestic wastewater treatment processes for the effluent to be processed before eliminating on water resources in order to reduce the action of biological agents and harmful chemical substances to human health and the environment. The research proposal aimed to analyze the efficiency of removal of nutrients from sewage, through the use of a Reactor Granular in Concentric pipe with circulation from the activated carbon of sugarcane bagasse (CABC) as a support material. The reactor was set at a pumping station sewage in Ilha Solteira - SP. To evaluate the effectiveness of the proposed treatment variables: temperature, pH, alkalinity, total COD, solids sedimented, suspended solids, total solids, total nitrogen and phosphorus from the reactor was monitored in accordance with the Standard Methods of Examination of Water and Wastewater. The study was conducted in two phases: starting (development of biofilm on the support material) and operational (increased cycle times in the reactor and reduced settling time), the operational phase was subdivided into Phase A (analysis of COD, pH and temperature) and Phase B (evaluation of the removal of carbonaceous matter, nitrogen and phosphorus matter). The investigation also showed viability for removal of carbonaceous organic load at 65% and 78% in phase A and B, respectively, when the system was operated at lower cycle times and sedimentation. The removal of nitrogenous matter and total phosphorus were on average 51% and 37%, respectively. The reduction of the operation cycle time and the settling time favoring the system's effectiveness.

Orientador: Sérgio Augusto Mello da Silva / Resumo: O desenvolvimento de estudos para produção de derivados de madeira tem representado uma real alternativa para contribuir as políticas de sustentabilidade, principalmente de espécies arbóreas nativas. Nesse contexto, o reaproveitamento de resíduos lignocelulósicos tem contribuído como uma alternativa para a produção industrial de painéis de madeira. Dentro desse contexto este trabalho se constitui do estudo para produção e avaliação de painéis aglomerados, empregando-se partículas de bagaço de cana-de-açúcar (Saccharum officinarum) e partículas de madeira de pinus (Pinus taeda; Pinus elliottii) e utilizando-se dois tipos de aglutinantes, o Poliuretano derivado do óleo de mamona (PU-M) e a Resina Ureia-formaldeído (UF). Para produção dos painéis foram propostos diferentes tratamentos com variações entre as proporções de massas das partículas, densidade nominal dos painéis de 0,80 g/cm3 e pressão de prensagem de 50 kgf/cm2 durante 10 min. As misturas de partículas foram utilizadas com 10% de umidade para o adesivo PU-M e 3% de umidade para a resina UF ambos com um conteúdo de 10% em relação à massa seca das partículas. Para prensagem dos painéis com PU-M empregou-se 100 ºC e para os painéis com UF 130 ºC. Os painéis foram submetidos a ensaios para avaliação das propriedades físicas (densidade, umidade e inchamento) e mecânicas (módulo de elasticidade, módulo de ruptura à flexão e tração perpendicular) de acordo com a ABNT NBR 14810-1 e 2 (2013). Os resultados obtidos evidenciara... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The development of studies for the production of wood derivatives has represented a real alternative to improve sustainability policies, mainly of native tree species. In this context, the reuse of lignocellulosic waste has contributed as an alternative to the industrial production of wood panels. This way, this work aims to produce and evaluate chipboards using particles of sugarcane bagasse (Saccharum officinarum) and particles of pine wood (Pinus taeda; Pinus elliottii) and using two types of binders, the Polyurethane derived from castor oil (PU-Castor) and Urea formaldehyde resin (UF). Different treatments were proposed for the production of boards with variations between the particle mass ratios, panels’ nominal density of 0.80 g/cm3 and pressing pressure of 50 kgf/cm2 for 10 minutes. Particle mixtures were used at 10% moisture for the PU-Castor adhesive and 3% moisture for the UF resin both with a content of 10% relative to the dry mass of the particles. For the pressing of panels with PU-Castor was used 100 °C and of panels with UF was used 130 °C. The boards were submitted to tests to evaluate the physical properties (density, moisture and swelling after 24 hours) and mechanical (modulus of elasticity, modulus of resistance to bending and perpendicular traction) according to the ABNT NBR 14810-1 and 2 (2013). The results showed that it is possible to use particles from sugarcane bagasse and pine wood for high density chipboards production. It was found that the boards... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Made available in DSpace on 2014-07-29T15:03:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Daniel Silveira.pdf: 2577317 bytes, checksum: a3f7e2a0e9b6a7fbb9dcb0e9876a861a (MD5) Previous issue date: 2010-12-21 / The Sugar Cane Bagasse Ash (SCBA) is a major waste of the sugar cane industry and one of the most bulky solid wastes produced by Brazilian Industries. This industry annually produces millions of tons of SCBA from cane bagasse burning in the cogeneration of energy. According to Brazilian estimatives of sugar cane production to the year 2010, it is been expected a production of 697 million tons of sugar cane, that can generate more than 181 million tons of bagasse with 50% moisture and from that 4,5 millions tons of SCBA, if considering that all sugar cane will be used to milling and the use of bagasse as a fuel to boilers. The aim of the study was to evaluate the influence of the partial replacement of CPVARI Portland Cement by the residual SCBA obtained from an industry on the State of Goiás on mechanical properties of ordinary and high strength concrete, as well as properties related to durability. Concrete was characterized even fresh. The replacement content used were 0%, 5%, 10% and 20% of residual SCBA, in mass. Before use, the SCBA was subjected to a sieving process (opening mesh 1.19 mm), drying and grinding for 4 hours in a ball mill. Two water/ binder relations (w/b), 0.37 and 0.60 were adopted, resulting 8 different concrete types. The durability parameters were determined in transport mass assays and carbonation resistance. The transport mass assays, as permeability assays, capillary absorption and by immersion indicated an excellent level of replacement around 10% in both concrete. With regard to carbonation depth was observed a small reduction in carbonation resistance as the increased of replacement partial of Portland cement by SCBA. For the analysis of mechanical strength using the CBC residual levels up to 10% did not affect the concrete properties. / A cinza do bagaço de cana-de-açúcar (CBC) é um dos principais resíduos da indústria sucroalcooleira e um dos mais volumosos resíduos sólidos produzidos pelas indústrias brasileiras. Esta indústria produz anualmente milhões de toneladas de CBC a partir da queima do bagaço da cana no processo de co-geração de energia. De acordo com as estimativas da produção brasileira de cana-de-açúcar para 2010, espera-se que sejam produzidos 697 milhões de toneladas de cana-de-açúcar, podendo gerar mais de 181 milhões de toneladas de bagaço com 50% de umidade e a partir deste mais de 4,5 milhões de toneladas de CBC, se for considerado o pleno emprego da cana-de-açúcar para moagem e do bagaço como combustível nas caldeiras. O objetivo do presente trabalho foi de avaliar a influência da substituição parcial do cimento Portland CPV-ARI pela CBC residual obtida em uma indústria do Estado de Goiás sobre as propriedades mecânicas do concreto convencional e de alta resistência, bem como as propriedades relacionadas à durabilidade. O concreto também foi caracterizado ainda no estado fresco. Os teores de substituição adotados foram de 0%, 5%, 10% e 20% de CBC residual, em massa. Antes da utilização, a CBC residual foi submetida a um processo de peneiramento com abertura de malha 1,19 mm, secagem em estufa e moagem por 4 horas em moinho de bolas. Foram adotadas duas relações água/aglomerante (a/agl), de 0,37 e 0,60, resultando em oito dosagens de concreto. Os parâmetros de durabilidade foram determinados em ensaios de transporte de massa e resistência à carbonatação. Os ensaios de transporte de massa, como os ensaios de permeabilidade, absorção por capilaridade e por imersão, indicaram a presença do teor ótimo em torno de 10% de substituição em ambos os concretos. Quanto à profundidade de carbonatação, observou-se uma redução da resistência à carbonatação com o aumento da substituição da CBC residual. Para os ensaios de resistência mecânica a utilização da CBC residual em teores até 10% não comprometeu as propriedades do concreto.